KR101310092B1 - Buck converter enhancing response characteristic - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 입력 전압을 감압시켜 출력하는 DC-DC 변환기인 벅 변환기에 관한 것으로, 특히 응답 특성을 향상시킴과 동시에 노이즈 감쇠 성능 또한 더불어 향상시키는 벅 변환기에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
전압 조정은 예컨대 디지털 IC, 반도체 메모리, 디스플레이 모듈, 하드 디스크 드라이브, RF 회로, 마이크로 프로세서, 디지털 신호처리기 및 아날로그 IC와 같은 다양한 마이크로 소자에서, 특히 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터 및 소비자 제품과 같은 배터리를 사용하는 응용에서 공급 전압의 변동(variations)을 방지하는데 흔히 요구된다.Voltage regulation uses batteries, such as cellular phones, notebook computers and consumer products, especially in various micro devices such as digital ICs, semiconductor memories, display modules, hard disk drives, RF circuits, microprocessors, digital signal processors and analog ICs. It is often required to prevent variations in supply voltage in such applications.
제품의 배터리 또는 DC 입력 전압은 종종 더 높은 DC 전압으로 승압되거나, 더 낮은 DC 전압으로 감압되어야 하기 때문에, 이러한 조정기(regulator)는 DC-DC 변환기라고 한다. 흔히 부스트 변환기(boost converter)라고 하는 승압 변환기는 배터리 전압이 부하에 전력을 공급하는데 필요한 전압보다 낮은 경우에 필요하다. 승압 변환기는 유도성 스위칭 조정기나 용량성 전하 펌프를 포함할 수도 있다. 이에 반해, 흔히 벅 변환기(buck converter)라고 하는 감압 변환기는 배터리 전압이 원하는 부하 전압보다 높을 때 사용된다. 감압 변환기(step-down converter)는 유도성 스위칭 조정기, 용량성 전하 펌프, 및 선형 조정기를 포함할 수도 있다.This regulator is called a DC-DC converter because the battery or DC input voltage of the product is often forced to step up to a higher DC voltage or to a lower DC voltage. A boost converter, commonly referred to as a boost converter, is needed when the battery voltage is lower than the voltage needed to power the load. The boost converter may include an inductive switching regulator or a capacitive charge pump. In contrast, pressure reducing converters, commonly referred to as buck converters, are used when the battery voltage is higher than the desired load voltage. Step-down converters may include inductive switching regulators, capacitive charge pumps, and linear regulators.
이상의 벅 변환기에 있어서 응답 특성을 향상시키는 위한 다양한 시도들이 연구되고 있다. 이하에서 인용되는 비특허문헌은 벅 변환기의 일반적인 구조를 소개하고 있다.Various attempts have been made to improve the response characteristics in the above buck converter. Non-patent literature cited below introduces the general structure of a buck converter.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 입력 전압을 감압시키는 벅 변환기에 있어서 응답 특성을 향상시키고자 하는 기술적 요구에 부응하고, 이러한 기술적 요구를 만족시키기 위해 크로스오버 주파수만을 제어할 경우 스위칭 노이즈의 감쇠 효과가 저감됨으로써 상대적으로 노이즈의 영향에 취약해지는 문제점을 해결하며, 증가된 주파수로부터 원래의 스위칭 주파수로 돌아가는 경우에 발생하는 출력 전압의 급격한 변화를 방지하고자 한다.The technical problem to be solved by the present invention is to meet the technical requirements to improve the response characteristics in the buck converter to reduce the input voltage, and to control the crossover frequency only to satisfy the technical requirements, the attenuation effect of the switching noise By reducing the problem, the problem of being relatively vulnerable to the influence of noise is solved, and it is intended to prevent a sudden change in the output voltage occurring when returning from the increased frequency to the original switching frequency.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 입력 전압을 감압시켜 출력하는 벅(buck) 변환기는, 출력 전압의 변화를 이용하여 스위칭 주파수를 증가시키는 제어 신호에 따른 클럭(clock) 신호를 입력 신호로서 인가하는 클럭 제어부; 및 변환기 이득이 0이 되는 지점을 나타내는 크로스오버(crossover) 주파수를 증가시키는 보상부;를 포함하되, 상기 클럭 제어부는 상기 스위칭 주파수를 증가시키는 제어 신호에 기초한 클럭 신호를 이용하여 상기 증가된 크로스오버 주파수에 의한 노이즈 감쇠 폭을 증가시킨다.In order to solve the above technical problem, a buck converter for reducing and outputting an input voltage according to an embodiment of the present invention, a clock according to a control signal for increasing the switching frequency by using a change in the output voltage A clock control unit which applies a signal as an input signal; And a compensator for increasing a crossover frequency indicating a point where the converter gain becomes zero, wherein the clock controller is configured to increase the crossover using a clock signal based on a control signal for increasing the switching frequency. Increase the width of noise attenuation by frequency.
일 실시예에 따른 상기 벅 변환기에서, 상기 클럭 제어부는, 부하 전류의 변화에 따라 출력 전압이 기준 전압 범위를 벗어나는 경우, 현재의 주파수보다 상대적으로 높은 주파수의 클럭 신호를 생성한다.In the buck converter according to an embodiment, when the output voltage is out of the reference voltage range according to the change of the load current, the clock controller generates a clock signal having a frequency higher than the current frequency.
일 실시예에 따른 상기 벅 변환기에서, 상기 클럭 제어부는, 상기 스위칭 주파수를 증가시키는 시점으로부터 소정 시간 경과 후, 증가된 스위칭 주파수를 감소시켜 원래의 스위칭 주파수에서 동작시킬 수 있다.In the buck converter according to an embodiment, the clock controller may operate at the original switching frequency by decreasing the increased switching frequency after a predetermined time elapses from the time of increasing the switching frequency.
일 실시예에 따른 상기 벅 변환기에서, 상기 보상부는, 출력 전압으로부터 정의되는 피드백 전압을 입력받아 오차(error) 전압을 생성하고, 상기 제어 신호에 기초하여 크로스오버 주파수를 증가시킬 수 있다.In the buck converter according to an embodiment, the compensator may receive an feedback voltage defined from an output voltage, generate an error voltage, and increase a crossover frequency based on the control signal.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 입력 전압을 감압시켜 출력하는 벅 변환기는, 출력 전압의 변화를 이용하여 스위칭 주파수를 증가시키는 제어 신호에 따른 클럭 신호를 입력 신호로서 인가하는 클럭 제어부; 상기 클럭 신호와 리셋(reset) 신호를 입력받아 PWM(pulse width modulation)을 생성하는 래치; 상기 PWM을 입력받아 2개의 파워트랜지스터를 각각 동작시키는 제 1 전압 및 제 2 전압을 생성하는 데드타임 버퍼; 상기 파워트랜지스터의 일단에 연결되어 충전과 방전을 수행하는 인덕터를 구비함으로써 출력 전압을 생성하는 필터부; 상기 제어 신호를 입력받아 변환기 이득이 0이 되는 지점을 나타내는 크로스오버(crossover) 주파수를 증가시키는 보상부; 및 상기 필터부로부터 감지된 감지 전압과 램프(RAMP) 발생기로부터 발생한 램프 전압의 합(SUM)을 입력받고, 상기 보상부의 오차 전압을 입력받아 양자를 비교함으로써, 리셋 신호를 생성하여 상기 래치에 공급하는 비교기;를 포함하되, 상기 클럭 제어부는 상기 출력 전압의 변화를 이용하여 스위칭 주파수를 증가시키는 제어 신호에 기초한 클럭 신호를 이용하여 상기 증가된 크로스오버 주파수에 의한 노이즈 감쇠 폭을 증가시킨다.In order to solve the above technical problem, a buck converter for reducing and outputting an input voltage according to another embodiment of the present invention, a clock signal according to a control signal for increasing the switching frequency by using a change in the output voltage is applied as an input signal. A clock control unit; A latch receiving the clock signal and a reset signal to generate pulse width modulation (PWM); A dead time buffer receiving the PWM and generating a first voltage and a second voltage for operating two power transistors, respectively; A filter unit connected to one end of the power transistor to generate an output voltage by having an inductor for charging and discharging; A compensator configured to receive the control signal and increase a crossover frequency indicating a point where a converter gain becomes zero; And receiving a sum SUM of the sensed voltage sensed by the filter unit and a ramp voltage generated from the ramp RAMP generator, receiving an error voltage of the compensating unit, comparing the two, and generating a reset signal and supplying the reset signal to the latch. And a comparator, wherein the clock controller increases a noise attenuation width due to the increased crossover frequency by using a clock signal based on a control signal that increases a switching frequency by using a change in the output voltage.
다른 실시예에 따른 상기 벅 변환기에서, 상기 클럭 제어부는, 상기 출력 전압과 기준 전압 범위의 상한인 제 1 기준 전압을 입력받는 제 1 비교기; 상기 출력 전압과 기준 전압 범위의 하한인 제 2 기준 전압을 입력받는 제 2 비교기; 및 상기 제 1 비교기 및 제 2 비교기의 출력을 OR 연산한 결과에 기초하여 클럭 신호를 생성하는 클럭 발생기;를 포함할 수 있다.In the buck converter according to another embodiment, the clock control unit, the first comparator for receiving a first reference voltage which is the upper limit of the output voltage and the reference voltage range; A second comparator receiving a second reference voltage which is a lower limit of the output voltage and the reference voltage range; And a clock generator configured to generate a clock signal based on a result of performing an OR operation on the outputs of the first comparator and the second comparator.
다른 실시예에 따른 상기 벅 변환기에서, 상기 클럭 제어부는, 상기 스위칭 주파수를 증가시키는 시점으로부터 소정 시간 경과 후, 증가된 스위칭 주파수를 감소시켜 원래의 스위칭 주파수에서 동작시키는 카운터(counter);를 더 포함할 수 있다.In the buck converter according to another embodiment, the clock control unit further includes a counter for operating at the original switching frequency by decreasing the increased switching frequency after a predetermined time elapses from the time of increasing the switching frequency. can do.
다른 실시예에 따른 상기 벅 변환기에서, 상기 보상부는, 출력 전압으로부터 정의되는 피드백 전압을 입력받아 오차 전압을 생성하는 오차 증폭기(error amplifier);를 포함하고, 적어도 하나 이상의 저항 및 커패시터를 구비함으로써 상기 제어 신호에 기초하여 크로스오버 주파수를 증가시킬 수 있다.In the buck converter according to another embodiment, the compensation unit includes an error amplifier (error amplifier) for generating an error voltage by receiving a feedback voltage defined from the output voltage, and includes the at least one resistor and capacitor It is possible to increase the crossover frequency based on the control signal.
본 발명의 실시예들은 보상 회로를 이용하여 벅 변환기의 크로스오버 주파수를 증가시킴으로써 출력 전압의 응답 특성을 향상시키고, 더불어 스위칭 주파수를 증가시킴으로써 스위칭 노이즈의 감쇠 효과를 향상시킬 수 있으며, 버퍼와 램프 발생기를 이용하여 증가된 주파수로부터 원래의 스위칭 주파수로 돌아가는 경우 출력전압 변화를 최소화할 수 있다.Embodiments of the present invention can improve the response characteristics of the output voltage by increasing the crossover frequency of the buck converter using a compensation circuit, and can also improve the attenuation effect of the switching noise by increasing the switching frequency, buffer and ramp generator The output voltage can be minimized when returning from the increased frequency to the original switching frequency by using.
도 1은 벅 변환기의 기본적인 구조를 도시한 블록도이다.
도 2는 폐쇄 루프(closed loop) 구조의 벅 변환기의 보상 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2의 폐쇄 루프 구조의 벅 변환기에서 출력 전압의 응답 특성을 향상시키기 위한 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 3의 응답 특성 향상 방법에 의해 발생하는 노이즈 감쇠 효과 저하의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예들이 채택하고 있는 벅 변환기에서 응답 특성과 노이즈 감쇠 효과를 동시에 향상시키기 위한 구조를 도시한 블록도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 벅 변환기에서 클럭 제어부를 보다 구체적으로 도시한 회로도이다.
도 7은 도 6의 클럭 제어부에서 나타나는 부하 전류에 따른 출력 전압과 클럭의 변화를 예시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 벅 변환기에서 보상부를 보다 구체적으로 도시한 회로도이다.
도 9는 도 8의 보상부가 제안하는 버퍼가 없는 경우의 부하 전류에 따른 출력 전압의 변화를 예시한 도면이다.
도 10은 스위칭 주파수에 따른 도 8의 보상부의 동작을 구분하여 도시한 회로도이다.
도 11은 벅 변환기에서 램프 전압의 기울기가 일정할 경우 클럭의 변화에 따른 PWM의 듀티(duty) 변화를 예시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 벅 변환기에서 램프 발생기를 보다 구체적으로 도시한 회로도이다.
도 13은 부하 전류에 따른 도 12의 램프 발생기의 동작을 구분하여 도시한 회로도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 벅 변환기를 이용하여 부하 전류에 따른 출력 전압과 클럭, 램프 전압에 대한 시뮬레이션 파형을 예시한 도면이다.
도 15는 부하 전류에 대한 출력 전압 시뮬레이션 파형을 통상의 벅 변환기와 본 발명의 실시예들이 제안하는 벅 변환기를 비교하여 도시한 도면이다.1 is a block diagram showing the basic structure of a buck converter.
FIG. 2 is a diagram for describing a compensation method of a buck converter having a closed loop structure.
3 is a view for explaining a method for improving the response characteristics of the output voltage in the buck converter of the closed loop structure of FIG.
4 is a view for explaining a problem of noise reduction effect degradation caused by the response characteristic improving method of FIG.
5 is a block diagram illustrating a structure for simultaneously improving a response characteristic and a noise attenuation effect in a buck converter adopted by embodiments of the present invention.
6 is a circuit diagram illustrating the clock control unit in a buck converter according to an embodiment of the present invention in more detail.
FIG. 7 is a diagram illustrating a change of an output voltage and a clock according to a load current appearing in the clock controller of FIG. 6.
8 is a circuit diagram illustrating in detail the compensator in the buck converter according to an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram illustrating a change in output voltage according to a load current when there is no buffer proposed by the compensator of FIG. 8.
FIG. 10 is a circuit diagram illustrating the operation of the compensator of FIG. 8 according to a switching frequency. FIG.
FIG. 11 illustrates a change in duty of the PWM according to the change of the clock when the ramp voltage is constant in the buck converter.
12 is a circuit diagram illustrating in more detail a lamp generator in a buck converter according to an embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a circuit diagram illustrating the operation of the lamp generator of FIG. 12 according to a load current.
14 is a diagram illustrating a simulation waveform for an output voltage, a clock, and a ramp voltage according to a load current using a buck converter according to an embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a diagram illustrating an output voltage simulation waveform for a load current in comparison with a conventional buck converter and a buck converter proposed by embodiments of the present invention.
본 발명의 실시예들을 설명하기에 앞서 본 발명의 실시예들이 구현되는 환경, 즉 입력 전압을 감압시켜 출력하는 DC-DC 변환기인 벅 변환기에 대해 도 1 및 도 2를 통해 간략히 소개하고, 실시예들이 구현되는 환경에서 발생할 수 있는 구조적인 문제점을 도 3 및 도 4를 통해 제시하고자 한다.Prior to describing the embodiments of the present invention, the buck converter, which is a DC-DC converter for reducing the output voltage and outputting the input voltage, is briefly described with reference to FIGS. 1 and 2. Structural problems that may occur in an environment where they are implemented are presented through FIGS. 3 and 4.
도 1은 벅 변환기의 기본적인 구조를 도시한 블록도로서, 도 1의 벅 변환기는, SR 래치(110), 데드타임 버퍼(120), 파워 트랜지스터(PMOS, NMOS), 인덕터와 커패시터를 구비하는 필터(130), 오차 증폭기(error amplifier)(140)와 저항 RC, 커패시터 CC1 및 CC2로 구성된 보상 회로, 전류 감지 회로(150), 램프(RAMP) 발생기(160), 비교기(170)를 포함한다.FIG. 1 is a block diagram illustrating a basic structure of a buck converter. The buck converter of FIG. 1 includes a filter including an
필터(130)에서 ESR은 필터 커패시터의 기생 저항 성분이다. 출력 전압(VOUT)과 두 개의 피드백 저항(R1, R2)에 의해 정의되는 피드백 전압(FB)과 기준전압(VREF)이 오차 증폭기(140)에 입력되고, 출력으로 오차 전압(COMP)이 생성된다. 램프 발생기(160)에 의한 램프 전압(RAMP)과 SW 노드 감지를 통한 전류 감지 회로(150)의 감지 전압(SENSE)으로 이루어진 전압의 합(SUM)이 비교기(170)를 통하여 오차 전압(COMP)과 비교가 되어 리셋(RESET) 신호를 생성한다. 그러면, 클럭 신호(CLOCK)와 리셋 신호가 SR 래치(110)에 입력되고, 출력으로 PWM(pulse width modulation)이 생성된다. 데드타임 버퍼(120)는 파워 트랜지스터의 슛-스루(shoot-through) 전류를 방지하기 위해서 이용되고, 최종적으로 PMOS와 NMOS 파워 트랜지스터를 동작시키는 PD, ND 전압이 생성된다. 벅 변환기의 제어 루프(control loop)는 음의 피드백(negative feedback)에 의해서 동작을 하고 있으며, 안정성을 보장하기 위한 보상회로가 필요하다.In
도 2는 type II 보상에 의한 폐쇄 루프(closed loop) 구조의 벅 변환기의 보상 방식을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 2 is a diagram illustrating a compensation method of a buck converter having a closed loop structure by type II compensation.
일반적으로 전류 모드 벅 변환기는 type II 보상을 이용하여 피드백 루프의 안정성을 보장한다. fLC는 필터의 인덕터와 커패시터에 의한 더블 폴(double pole)을 나타내고, fP와 fZ는 보상 회로의 저항(RC)과 커패시터(CC1, CC2)에 의한 폴(pole)(fP)과 제로(zero)(fZ)를 나타내며, fESR은 필터의 커패시터와 기생 저항성분인 ESR에 의한 제로, fC는 크로스오버 주파수이다. 폐쇄 루프 시스템은 필터에 의한 필터 이득, 오차 증폭기와 보상 회로의 저항(RC)과 커패시터(CC1, CC2)에 의한 보상 이득, 두 이득에 의한 변환기 이득으로 구성되어 있다. 필터 이득은 fLC에 의해서 -40dB/dec의 기울기로 감소하다가, 그 후 fESR에 의해서 -20dB/dec 기울기로 감소한다. 보상 이득은 원점에서 -20dB/dec의 기울기로 감소하다가, fZ에 의해서 일정한 이득을 가지게 되고, fP에 의해서 다시 -20dB/dec의 기울기로 감소한다. 변환기 이득은 원점에서 -20dB/dec의 기울기로 감소하다가, fZ에 의하여 일정한 이득을 가지고, fLC에 의해서 -40dB/dec의 기울기를 가지게 되며, fESR에 의해서 다시 -20dB/dec의 기울기로 fC를 지나게 된다. 그 후 fP에 의해서 -40dB/dec의 기울기를 가지게 된다.In general, current mode buck converters use type II compensation to ensure the stability of the feedback loop. f LC denotes a double pole by the inductor and capacitor of the filter, and f P and f Z denote the pole (f) by the resistor R C of the compensation circuit and the capacitors C C1 and C C2 . P ) and zero (f Z ), f ESR is zero due to the filter's capacitor and parasitic resistance component ESR, and f C is the crossover frequency. The closed loop system consists of the filter gain by the filter, the compensation gain by the resistors (R C ) and capacitors (C C1 , C C2 ) of the error amplifier and compensation circuit, and the converter gain by two gains. The filter gain is reduced to -40dB / dec slope by f LC and then to -20dB / dec slope by f ESR . The compensation gain decreases with a slope of -20 dB / dec at the origin, then has a constant gain by f Z , and then decreases again with a slope of -20 dB / dec by f P. The converter gain decreases with a slope of -20 dB / dec at the origin, has a constant gain by f Z , a slope of -40 dB / dec by f LC , and a slope of -20 dB / dec again by f ESR . f will pass C. After that, we have a slope of -40 dB / dec by f P.
도 3은 도 2의 폐쇄 루프 구조의 벅 변환기에서 출력 전압의 응답 특성을 향상시키기 위한 방법을 설명하기 위한 도면이다.3 is a view for explaining a method for improving the response characteristics of the output voltage in the buck converter of the closed loop structure of FIG.
폐쇄 루프 시스템에서 벅 변환기의 응답특성에 관계되는 것은 크로스오버 주파수이다. fP1, fP2, fZ는 오차 증폭기의 출력 임피던스와 보상 회로의 저항(RC), 커패시터(CC1, CC2)에 의한 폴(fP1, fP2)과 제로(fZ)이다. 여기서, fP1과 fZ를 조절하여 크로스오버 주파수를 fC1에서 fC2로 높임으로써, 출력 전압의 응답 특성을 향상시키는 것이 가능하다. 즉, 크로스오버 주파수가 fC1에서 fC2로 변화하게 된다.In the closed loop system, the response of the buck converter is related to the crossover frequency. f P1 , f P2 and f Z are the output impedance of the error amplifier, the resistance of the compensation circuit (R C ), and the poles (f P1 , f P2 ) and zero (f Z ) by the capacitors (C C1 , C C2 ). Here, by adjusting the Z f P1 and f by increasing the cross-over frequency from f to f C1 C2, it is possible to improve the response characteristic of the output voltage. In other words, the crossover frequency is changed from f C1 to f C2 .
도 4는 도 3의 응답 특성 향상 방법에 의해 발생하는 노이즈 감쇠 효과 저하의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.4 is a view for explaining a problem of noise reduction effect degradation caused by the response characteristic improving method of FIG.
앞서 도 3을 통해 설명한 방법(크로스오버 주파수의 변화)을 수행할 경우 출력 전압의 응답 특성은 향상될 수 있으나, 도 4에서 보듯이 크로스오버 주파수만을 증가시킨다면(fC1 → fC2) 노이즈의 감쇠 폭이 감쇠 1에서 감쇠 2로 변화함으로써 노이즈의 영향을 보다 많이 받게 된다. 즉, 노이즈 감쇠 효과가 저하되게 된다.When the method described above with reference to FIG. 3 (change in crossover frequency) is performed, the response characteristic of the output voltage may be improved. However, if only the crossover frequency is increased (f C1 ? F C2 ), as shown in FIG. As the width changes from
이상에서 설명한 바와 같이, 통상의 벅 변환기에서 부하 전류의 변화에 따른 출력 전압의 응답 특성을 향상시키기 위하여 크로스오버 주파수만을 변화시킬 경우 스위칭 주파수에 의한 노이즈의 감쇠 효과가 저감되는 부작용이 나타나게 된다.As described above, when only the crossover frequency is changed in order to improve the response characteristic of the output voltage according to the change of the load current in the conventional buck converter, a side effect of reducing the attenuation effect of noise due to the switching frequency appears.
이하에서 제시될 본 발명의 실시예들은 상기된 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 본 발명의 실시예들은 벅 변환기에 있어서 출력 전압의 응답 특성을 향상시키기 위해 크로스오버 주파수를 증가시키는 경우, 노이즈 감쇠 효과가 저하되는 문제점을 해결하기 위해 스위칭 주파수도 함께 증가시킴으로써 노이즈에 의한 감쇠 효과를 향상시킬 수 있는 기술적 수단을 제안하고자 한다. 특히, 본 발명의 실시예들은 벅 변환기의 부하 전류가 변화하는 경우 크로스오버 주파수를 높여 응답 특성을 향상시키고 동시에 스위칭 주파수를 높이면서 노이즈 감쇠 효과를 향상시키며, 그 후 일정 시간이 경과한 후 원래의 스위칭 주파수로 돌아와 다시 동작한다. 즉, 제안된 벅 변환기는 부하 전류가 증가하거나 감소할 경우, 크로스오버 주파수를 높이면서 동시에 스위칭 주파수를 높이고 일정 시간이 지난 후 스위칭 주파수를 감소시켜 본래의 스위칭 주파수에서 동작하게 된다.Embodiments of the present invention to be described below have been devised to solve the problems described above, and embodiments of the present invention provide noise in the case of increasing the crossover frequency to improve the response characteristic of the output voltage in a buck converter. In order to solve the problem that the attenuation effect is lowered, a technical means for improving the attenuation effect due to noise by increasing the switching frequency is also proposed. In particular, embodiments of the present invention improve the response characteristics by increasing the crossover frequency when the load current of the buck converter changes, and at the same time improve the noise attenuation effect by increasing the switching frequency, after which the original Return to the switching frequency and operate again. In other words, the proposed buck converter operates at the original switching frequency by increasing the crossover frequency, increasing the switching frequency and decreasing the switching frequency after a certain time when the load current increases or decreases.
또한, 본 발명의 실시예들을 통해 제안되는 벅 변환기는 버퍼(buffer)와 램프(RAMP) 발생기를 이용하여 높은 스위칭 주파수에서 원래의 스위칭 주파수로 바뀌는 순간의 출력 전압의 급격한 변화를 최소화하는 기술적 수단을 추가적으로 구비할 수 있다. In addition, the buck converter proposed through the embodiments of the present invention uses a buffer and a RAMP generator to provide a technical means for minimizing a sudden change in the output voltage at the instant of the change from the high switching frequency to the original switching frequency. It may be provided additionally.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, with reference to the drawings will be described embodiments of the present invention in more detail.
도 5는 본 발명의 실시예들이 채택하고 있는 벅 변환기(500)에서 응답 특성과 노이즈 감쇠 효과를 동시에 향상시키기 위한 구조를 도시한 블록도로서, 입력 전압을 감압시켜 출력하는 통상의 벅 변환기의 구체적인 구조에 대해서는 그 설명을 생략하였다. 도 5에서는 ① 출력 전압의 응답 특성 향상과 ② 노이즈 감쇠 효과의 향상의 관점에서 차별화되는 구성을 중심으로 그 동작을 설명하도록 한다.FIG. 5 is a block diagram illustrating a structure for simultaneously improving a response characteristic and a noise attenuation effect in a
클럭 제어부(10)는 출력 전압의 변화를 이용하여 스위칭 주파수를 증가시키는 제어 신호에 따른 클럭(clock) 신호를 입력 신호로서 인가한다. 또한, 상기 클럭 제어부(10)는, 부하 전류의 변화에 따라 출력 전압이 기준 전압 범위를 벗어나는 경우, 현재의 주파수보다 상대적으로 높은 주파수의 클럭 신호를 생성하게 된다.The
한편, 이러한 클럭 제어부(10)는, 상기 스위칭 주파수를 증가시키는 시점으로부터 일정 시간 경과 후, 증가된 스위칭 주파수를 감소시켜 원래의 스위칭 주파수에서 동작시키는 것이 바람직하다. 즉, 일단 스위칭 주파수가 증가된 경우, 계속하여 높은 주파수가 유지되는 것이 아니라, 일정한 시간이 경과된 후에 주파수를 감소시킴으로써 원래의 클럭 신호로 돌아오게 된다. 이때, 일정한 시간이란 부하 전류의 변화 시점과 출력 전압의 변화 정도를 고려하여 결정될 수 있으며, 이러한 일정한 시간의 결정은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 실험적인 방법을 통해 유연하게 선택될 수 있다.On the other hand, the
이제, 이렇게 인가된 입력 신호는 일련의 처리 과정을 통해 필터(20)를 통해 충전 또는 방전될 수 있다. 특히, 필터(20)는 인덕터를 구비함으로써 상기 입력 신호를 스위칭하는 트랜지스터(미도시)로부터 입력되는 에너지를 저장하고, 부하로 방전하는 과정을 반복함으로써 출력 전압을 생성할 수 있다.The input signal thus applied can now be charged or discharged through the
보상부(30)는 변환기 이득이 0이 되는 지점을 나타내는 크로스오버(crossover) 주파수를 증가시키는 역할을 수행한다.The
여기서, 상기 클럭 제어부(10)는 상기 증가된 스위칭 주파수에 기초한 클럭 신호를 이용하여 상기 증가된 크로스오버 주파수에 의한 노이즈 감쇠 폭을 증가시키게 된다. 일한 클럭 제어부(10) 및 보상부(30)를 통해 벅 변환기(500)는 출력 전압의 응답 특성과 노이즈 감쇠 효과를 동시에 향상시킬 수 있다.Here, the
또한, 상기 보상부(30)는, 출력 전압으로부터 정의되는 피드백 전압을 입력받아 오차(error) 전압을 생성하고, 클럭 제어부(10)의 상기 제어 신호에 기초하여 크로스오버 주파수를 증가시킬 수 있다. 특히, 상기 보상부(30)는, 크로스오버 주파수의 변화에 따른 스위칭 과정에서 출력 전압이 크게 저하되는 언더슈트(undershoot) 현상의 변화 폭을 감소시키는 것이 바람직하다.In addition, the
더불어, 도 5의 벅 변환기(500)는 램프(RAMP) 전압을 생성하는 램프 발생기(미도시)를 포함할 수 있으며, 이러한 램프 발생기는, 스위칭 주파수의 변화에 따른 램프(RAMP) 전압의 기울기를 조절함으로써 상기 오차 전압의 변화 폭과 출력 전압이 크게 저하되는 언더슈트 현상의 변화 폭을 감소시키는 것이 바람직하다.In addition, the
이상의 구성에서 언더슈트 현상의 변화 폭을 감소시키는 두 가지 구성인 보상부(30)와 램프 발생기(미도시)는 적어도 어느 하나가 선택적으로 구비되거나 변형되어 활용될 수도 있으나, 그 충분한 효과를 달성하기 위해 양자가 모두 동시에 채택되는 것이 바람직하다.In the above configuration, at least one of the
이하에서는, 도 5를 통해 소개한 벅 변환기(500)의 기능 중심의 구성으로부터 실제 구현을 고려하여 안출된 구체적인 회로 구성을 제시하도록 한다. 입력 전압을 감압시켜 출력하는 벅 변환기는 다음과 같은 구성을 포함한다.Hereinafter, a detailed circuit configuration devised in consideration of the actual implementation from the function-oriented configuration of the
클럭 제어부는 출력 전압의 변화를 이용하여 스위칭 주파수를 증가시키는 제어 신호에 따른 클럭 신호를 입력 신호로서 인가한다. 래치는 클럭 제어부로부터 인가된 상기 클럭 신호와 리셋(reset) 신호를 입력받아 PWM(pulse width modulation)을 생성하고, 데드타임 버퍼는 상기 PWM을 입력받아 2개의 파워트랜지스터를 각각 동작시키는 제 1 전압 및 제 2 전압을 생성한다. 이때, 파워 트랜지스터는 각각 PMOS 트랜지스터와 NMOS 트랜지스터가 될 수 있으며, 각각의 파워 트랜지스터를 동작시키는 전압을 편의상 PD 전압 및 ND 전압이라고 명명하자.The clock control unit applies, as an input signal, a clock signal corresponding to a control signal that increases the switching frequency by using a change in the output voltage. The latch receives the clock signal and the reset signal applied from the clock control unit to generate a pulse width modulation (PWM), and the dead time buffer receives the PWM to operate a first voltage for operating two power transistors, and Generate a second voltage. In this case, the power transistors may be PMOS transistors and NMOS transistors, respectively. For convenience, a voltage for operating each power transistor is called a PD voltage and an ND voltage.
다음으로, 필터부는 상기 파워트랜지스터의 일단에 연결되어 충전과 방전을 수행하는 인덕터를 구비함으로써 출력 전압을 생성한다. 또한, 보상부는 음의 피드백 루프(negative feedback loop)를 통해 상기 출력 전압을 입력받아 변환기 이득이 0이 되는 지점을 나타내는 크로스오버(crossover) 주파수를 증가시킨다. 이제, 비교기는 상기 필터부로부터 감지된 감지 전압과 램프(RAMP) 발생기로부터 발생한 램프 전압의 합(SUM)을 입력받고, 상기 보상부의 오차 전압을 입력받아 양자를 비교함으로써, 리셋 신호를 생성하여 상기 래치에 공급한다.Next, the filter unit includes an inductor connected to one end of the power transistor to perform charging and discharging to generate an output voltage. In addition, the compensator receives the output voltage through a negative feedback loop and increases a crossover frequency indicating a point where the converter gain becomes zero. Now, the comparator receives the sum SUM of the sensed voltage sensed from the filter unit and the ramp voltage generated from the ramp RAMP generator, receives an error voltage of the compensating unit, compares them, and generates a reset signal. Supply to the latch.
이상의 구성을 통해, 클럭 제어부는 상기 출력 전압의 변화를 이용하여 스위칭 주파수를 증가시키는 제어 신호에 기초한 클럭 신호를 이용하여 상기 증가된 크로스오버 주파수에 의한 노이즈 감쇠 폭을 증가시키게 된다.Through the above configuration, the clock controller increases the noise attenuation width due to the increased crossover frequency by using a clock signal based on a control signal that increases the switching frequency by using the change of the output voltage.
이하에서, 각 구성을 보다 구체적으로 설명한다.Below, each structure is demonstrated more concretely.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 벅 변환기에서 클럭 제어부(10)를 보다 구체적으로 도시한 회로도로서, 두 개의 비교기(11, 12), OR 논리 회로(13), SR 래치(15), 클럭 발생기(17) 및 카운터(counter)(19)를 포함한다. 도 6에서 VREF1은 제 1 기준 전압을 나타내고, VREF2는 제 2 기준 전압을 나타내며, VOUT은 출력전압을 나타내고, CLOCKREF는 카운터 동작을 위한 기준 클럭을 나타낸다.FIG. 6 is a circuit diagram illustrating the
즉, 제 1 비교기(11)는 상기 출력 전압과 기준 전압 범위의 상한인 제 1 기준 전압을 입력받아 비교하고, 제 2 비교기(12)는 상기 출력 전압과 기준 전압 범위의 하한인 제 2 기준 전압을 입력받아 비교하며, 클럭 발생기(17)는 상기 제 1 비교기(11) 및 제 2 비교기(12)의 출력을 OR 논리 회로(13)를 통해 OR 연산한 결과에 기초하여 클럭 신호를 생성한다.That is, the
상기 클럭 제어부(10)에서, 만약 부하 전류의 변화에 따라 상기 출력 전압이 상기 제 1 기준 전압보다 낮아진 경우, 상기 클럭 발생기(17)를 통해 현재의 주파수보다 상대적으로 높은 주파수의 클럭 신호를 생성하게 된다. 또한, 상기 클럭 제어부(10)에서, 만약 부하 전류의 변화에 따라 상기 출력 전압이 상기 제 2 기준 전압보다 높아진 경우, 상기 클럭 발생기(17)를 통해 현재의 주파수보다 상대적으로 높은 주파수의 클럭 신호를 생성하게 된다.In the
한편, 상기 클럭 제어부(10)는, 상기 스위칭 주파수를 증가시키는 시점으로부터 일정 시간 경과 후, 증가된 스위칭 주파수를 감소시켜 원래의 스위칭 주파수에서 동작시키는 카운터(counter)(19)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 카운터(19)는, 상기 스위칭 주파수의 증가 시점으로부터 계수를 시작하고, 미리 설정된 기준 시간이 경과한 후 클리어(clear) 신호를 SR 래치(15)에 출력함으로써 상기 클럭 발생기(17)로 하여금 원래의 스위칭 주파수에서 동작하도록 제어하게 된다.On the other hand, the
도 7은 도 6의 클럭 제어부에서 나타나는 부하 전류에 따른 출력 전압과 클럭의 변화를 예시한 도면으로서, 특히 주파수를 증가시킨 구간(710, 720)이 두드러지게 표시되어 있다.FIG. 7 is a diagram illustrating a change in an output voltage and a clock according to a load current appearing in the clock control unit of FIG. 6, and particularly,
도 6 및 도 7을 통해 확인할 수 있듯이, 부하 전류(ILOAD)가 IL에서 IH로 증가할 때, 출력 전압은 제 1 기준 전압과 제 1 비교기에 의하여 비교되고, 만약 출력 전압이 제 1 기준 전압보다 낮아지면 클럭 제어부(10)의 제어 신호(CLK_CON)가 하이(high)가 된다. 이 신호는 클럭 발생기(17)에 전달되고, 클럭 발생기(17)에서는 상대적으로 높은 주파수의 클럭을 발생시키며 동시에 카운터(19)를 동작시킨다. 그런 다음 일정 시간이 지나면 카운터(19)는 클리어(CLEAR) 신호를 발생시키고, 제어 신호(CLK_CON)는 로우(low)가 되어 클럭 발생기(17)를 통해 이전 주파수의 클럭 신호를 발생시키게 된다.As can be seen from FIGS. 6 and 7, when the load current I LOAD increases from I L to I H , the output voltage is compared by the first reference voltage and the first comparator, and if the output voltage is the first When the voltage is lower than the reference voltage, the control signal CLK_CON of the
반면, 부하 전류가 IH에서 IL로 감소할 경우, 출력 전압은 제 2 기준 전압과 제 2 비교기에 의해서 비교가 되고, 제 2 기준 전압보다 높아지면 제어 신호(CLK_CON)가 하이(high)가 되면서 클럭 발생기(17)에서 높은 주파수의 클럭을 발생시키고 동시에 카운터(19)를 동작시킨다. 일정 시간이 지나면 카운터(19)는 클리어 신호를 발생시키고 제어 신호(CLK_CON)는 로우(low)가 되어 클럭 발생기(17)는 이전 주파수의 클럭을 발생시키게 된다.On the other hand, when the load current decreases from I H to I L , the output voltage is compared by the second reference voltage and the second comparator. When the load current is higher than the second reference voltage, the control signal CLK_CON becomes high. The
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 벅 변환기에서 보상부(30)를 보다 구체적으로 도시한 회로도로서, 상기 보상부(30)는 출력 전압으로부터 정의되는 피드백 전압을 입력받아 오차 전압을 생성하는 오차 증폭기(error amplifier)(31)를 포함할 수 있다. 또한, 적어도 하나 이상의 저항 및 커패시터를 구비함으로써 앞서 설명한 바 있는 클럭 제어부의 제어 신호에 기초하여 크로스오버 주파수를 증가시키게 된다.FIG. 8 is a circuit diagram illustrating the
보다 구체적으로, 상기 보상부(30)는, 일단이 상기 오차 증폭기의 출력단에 연결된 저항을 제어하는 제 1 스위치부(33), 상기 저항의 타단에 연결되어 크로스오버 주파수의 변화에 따른 스위칭 과정에서 출력 전압이 크게 저하되는 언더슈트 현상의 변화 폭을 감소시키는 버퍼를 구비하고, 상기 버퍼를 제어하는 제 2 스위치부(35) 및 상기 저항의 타단에 연결된 커패시터를 제어하는 제 3 스위치부(37)를 포함할 수 있다.More specifically, the
여기서, 상기 제 1 스위치부(33)와 상기 제 3 스위치부(37)는 상기 클럭 제어부(미도시)로부터 발생하는 제 1 제어 신호(CLK_CON)에 의해 동시에 온(on)-오프(off)되며, 상기 제 2 스위치부(35)는 상기 클럭 제어부로부터 발생하는 제 2 제어 신호(제 1 제어 신호와 위상이 반대일 수 있다.)에 의해 상기 제 1 스위치부(33) 및 상기 제 3 스위치부(37)와는 반대로 온-오프되는 것이 바람직하다.Here, the
도 8에서, VOUT은 출력 전압을 나타내고, FB 전압은 출력 전압과 R1, R2에 의해서 정의되는 피드백 전압을 나타내며, VREF3은 제 3 기준 전압을 나타내고, COMP 전압은 오차 증폭기(31)의 출력인 오차 전압을 나타낸다. 크로스오버 주파수를 조절하기 위하여 R4 저항, C1 커패시터, S1, S3 스위치가 추가되었다. 정상 상태에서는 S1과 S3 스위치가 온(on) 상태이며, R3 저항과 C1, C2 커패시터에 의해서 크로스오버 주파수가 결정된다. 부하전류 증가 시 클럭 제어부(30)에서 발생하는 제어 신호(CLK_CON)에 의해서 S1, S3 스위치가 오프(off)되고, 크로스오버 주파수는 R3, R4 및 C2에 의해서 결정된다. 그런 다음, 카운터(미도시)에 의해서 일정 시간이 지난 후 본래의 크로스오버 주파수로 돌아올 때 S1과 S3 스위치가 다시 온(on)이 된다. In FIG. 8, V OUT represents an output voltage, FB voltage represents an output voltage and a feedback voltage defined by R 1 and R 2 , V REF3 represents a third reference voltage, and COMP voltage represents an
도 9는 도 8의 보상부가 제안하는 버퍼가 없는 경우의 부하 전류에 따른 출력 전압의 변화를 예시한 도면이다.FIG. 9 is a diagram illustrating a change in output voltage according to a load current when there is no buffer proposed by the compensator of FIG. 8.
도 9에서 확인할 수 있들이 P3 노드의 전압이 P2 노드의 전압보다 작아 S3 스위치가 온(on)이 된 경우, P2 노드의 전압이 순간적으로 감소하고, S1 스위치가 온이 되므로 P1 노드와 P2 노드가 연결되면서 P1 노드의 전압도 감소하게 되며, 이에 따라서 오차 전압(COMP)도 감소하게 된다. 이로 인하여 듀티(duty)가 작아지게 되고, 출력단에 충분한 전류를 공급하지 못하여 출력 전압의 언더슈트(undershoot) 현상이 발생하게 된다. 또한, 언더슈트 현상이 발생하게 되면, 출력 전압이 제 1 기준 전압보다 낮아지게 되면서 카운터가 다시 동작하게 되고, 일정 시간이 지난 후 카운터가 동작을 멈출 때 부하 전류가 변하지 않음에도 불구하고 언더슈트 현상이 반복적으로 발생하게 된다. 이러한 언더슈트 현상을 최소화하기 위하여 이하에서 제안되는 본 발명의 실시예에서는 S2 스위치와 버퍼(buffer)가 추가되었다.As shown in FIG. 9, when the voltage of the P 3 node is smaller than the voltage of the P 2 node and the S 3 switch is turned on, the voltage of the P 2 node decreases momentarily and the S 1 switch is turned on. As the P 1 node and the P 2 node are connected, the voltage of the P 1 node is also reduced, thereby reducing the error voltage COMP. As a result, the duty is reduced, and insufficient current is supplied to the output terminal, causing an undershoot of the output voltage. In addition, when the undershoot occurs, the output voltage is lower than the first reference voltage, and the counter is operated again.In the event of undershoot even though the load current does not change when the counter stops operating after a predetermined time. This happens repeatedly. In order to minimize this undershoot phenomenon, an S 2 switch and a buffer are added in the embodiment of the present invention.
도 10은 스위칭 주파수에 따른 도 8의 보상부의 동작을 구분하여 도시한 회로도이다.FIG. 10 is a circuit diagram illustrating the operation of the compensator of FIG. 8 according to a switching frequency. FIG.
도 10의 (A)에서 보듯이 낮은 스위칭 주파수(원래의 스위칭 주파수를 의미한다.)에서는 S2 스위치가 오프되어 있고, 도 10의 (B)에서 보듯이 높은 스위칭 주파수(증가된 스위칭 주파수를 의미한다.)에서는 S2 스위치가 온이 되면서 버퍼에 의해서 P2 노드와 P3 노드의 전압을 일치시킴으로써 S3 스위치의 온/오프 순간에도 COMP 전압의 변화를 감소시킬 수 있다.As shown in FIG. 10A, the S 2 switch is turned off at a low switching frequency (which means the original switching frequency), and as shown in FIG. 10B, a high switching frequency (increased switching frequency). and.) in the can to reduce the change of the COMP voltage switch S 2 is on / off time of the switch S 3 by matching the voltage at the node P 2 and P 3 by the node buffer as a whole.
요약하건대, 본 발명의 일 실시예에 따른 벅 변환기의 보상부는, 원래의 스위칭 주파수에서 상기 제 1 스위치부와 상기 제 3 스위치부를 온(on)시키고, 동시에 상기 제 2 스위치부를 오프(off)시키는 것이 바람직하다. 반면, 상기 보상부는, 상기 증가된 스위칭 주파수에서 상기 제 1 스위치부와 상기 제 3 스위치부를 오프(off)시키고, 동시에 상기 제 2 스위치부를 온(on)시킴으로써 상기 버퍼에 의해 상기 오차 전압의 감소를 방지하는 것이 바람직하다.In summary, the compensator of the buck converter according to an embodiment of the present invention turns on the first switch unit and the third switch unit at the original switching frequency and simultaneously turns off the second switch unit. It is preferable. On the other hand, the compensator reduces the error voltage by the buffer by turning off the first switch unit and the third switch unit at the increased switching frequency and simultaneously turning on the second switch unit. It is desirable to prevent.
도 11은 벅 변환기에서 램프 전압의 기울기가 일정할 경우 클럭의 변화에 따른 PWM의 듀티(duty) 변화를 예시한 도면이다.FIG. 11 illustrates a change in duty of the PWM according to the change of the clock when the ramp voltage is constant in the buck converter.
도 11에서 확인할 수 있듯이 스위칭 주파수가 감소할 때 PWM의 듀티가 감소하게 되고, 이에 따라 출력단에 공급하는 인덕터 전류가 감소하면서 출력 전압의 언더슈트 현상이 발생하며, 그에 따라 듀티를 증가시키기 위하여 COMP 전압은 증가하게 된다.As can be seen in FIG. 11, when the switching frequency decreases, the duty of the PWM decreases. As a result, undershoot of the output voltage occurs while the inductor current supplied to the output stage decreases, so that the COMP voltage is increased to increase the duty. Will increase.
출력 전압의 언더슈트 현상을 최소화하기 위하여 도 12의 램프 발생기(50)가 제안된다.In order to minimize the undershoot of the output voltage, the
도 12의 커패시터에서 전압-전류의 관계는 다음의 수학식 1과 같다.The voltage-current relationship in the capacitor of FIG. 12 is expressed by
여기서, I는 전류, C는 커패시턴스, t는 시간, 그리고 V는 전압을 나타낸다. 수학식 1에서 확인할 수 있듯이, 전류가 일정할 때 커패시턴스의 변화에 의해서 단위 시간당 전압의 변화량이 변하게 된다. 램프 발생기(50)는 도 1을 통해 소개한 종래의 벅 변환기 구조에서 C3 커패시터와 S4 스위치를 추가하여 스위칭 주파수에 따른 램프 전압의 기울기를 조절할 수 있다.Where I is the current, C is the capacitance, t is the time, and V is the voltage. As can be seen in
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 벅 변환기에서 램프 발생기(50)를 보다 구체적으로 도시한 회로도로서, 상기 램프 발생기(50)는, 병렬적으로 연결된 2개의 커패시터 및 상기 커패시터 중 하나의 커패시터를 제어하는 스위치를 포함할 수 있다.12 is a circuit diagram illustrating in detail a
도 12에서 상기 스위치는 클럭 제어부로터 발생하는 제어 신호(CLK_CON)에 의해 온-오프되어 스위칭 주파수의 변화에 따른 램프 전압의 기울기를 조절함으로써 상기 오차 전압의 변화 폭과 출력 전압이 크게 저하되는 언더슈트 현상의 변화 폭을 감소시키게 된다.In FIG. 12, the switch is turned on and off by a control signal CLK_CON generated by a clock controller to adjust an inclination of a ramp voltage according to a change in a switching frequency. It will reduce the change of phenomenon.
도 13은 부하 전류에 따른 도 12의 램프 발생기의 동작을 구분하여 도시한 회로도로서, 각각 낮은 주파수 및 높은 주파수에서의 스위치의 동작을 보여주고 있다.FIG. 13 is a circuit diagram illustrating the operation of the lamp generator of FIG. 12 according to the load current, and shows the operation of the switch at a low frequency and a high frequency, respectively.
도 13의 (A)에서, 램프 발생기는 원래의 스위칭 주파수(낮은 주파수에 해당한다.)에서 상기 S4 스위치를 온(on)시킴으로써 상기 2개의 커패시터의 합(C3 + C4)으로 커패시턴스를 결정하게 된다.In Fig. 13A, the ramp generator sets the capacitance to the sum of the two capacitors (C 3 + C 4 ) by turning on the S 4 switch at its original switching frequency (corresponding to a low frequency). You decide.
반면, 도 13의 (B)에서, 램프 발생기는, 상기 증가된 스위칭 주파수(높은 주파수에 해당한다.)에서 상기 스위치를 오프(off)시킴으로써 상기 스위치가 연결되지 않은 커패시터만으로 커패시턴스를 결정하여 램프 전압의 기울기를 증가시키게 된다. 보다 구체적으로, 스위칭 주파수가 높아지면, S4 스위치가 오프가 되어 커패시턴스가 C4로 감소하면서 램프 전압의 기울기가 증가하고, 이 때의 COMP 전압 레벨이 램프 전압의 기울기가 증가하지 않았을 때의 COMP 전압 레벨보다 증가한다. 그리하여 스위칭 주파수가 낮아지더라도 COMP 전압의 변화가 작아지게 되고, 출력 전압의 언더슈트 현상을 최소화하게 된다. 클럭이 하이(high)가 될 때 커패시터의 방전 시간을 줄이기 위하여 S5 스위치를 추가하였다.On the other hand, in FIG. 13B, the ramp generator turns off the switch at the increased switching frequency (corresponding to a high frequency) to determine capacitance by using only the capacitor to which the switch is not connected to the lamp voltage. This increases the slope of. More specifically, when the switching frequency is increased, the S 4 switch is turned off, the capacitance decreases to C 4 and the ramp voltage slope increases, and the COMP voltage level at this time is COMP when the ramp voltage slope does not increase. Increases above the voltage level. Thus, even if the switching frequency is lowered, the variation of the COMP voltage becomes smaller and the undershoot of the output voltage is minimized. An S 5 switch was added to reduce the discharge time of the capacitor when the clock was high.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 벅 변환기를 이용하여 부하 전류에 따른 출력 전압과 클럭, 램프 전압에 대한 시뮬레이션 파형을 예시한 도면으로서, 제안된 벅 변환기의 HSPICE 시뮬레이션 결과를 나타낸다.FIG. 14 is a diagram illustrating a simulation waveform of an output voltage, a clock, and a ramp voltage according to a load current using a buck converter according to an embodiment of the present invention, and illustrates the HSPICE simulation result of the proposed buck converter.
도 14에서 ①의 구간은 카운터가 동작하여 스위칭 주파수가 증가하는 구간이고, ②의 구간은 일정 시간이 지난 후 본래의 스위칭 주파수로 돌아올 때 출력 전압(VOUT)의 변화 구간이다. 도 14를 통해 확인할 수 있듯이, 부하 전류(ILOAD)가 증가하거나 감소할 때, 클럭의 주파수가 증가하게 되고 램프의 기울기도 같이 증가시킴으로써 일정 시간이 지난 후의 출력 전압 변화를 최소화하게 된다.In FIG. 14, the
도 15는 부하 전류(ILOAD)에 대한 출력 전압(VOUT) 시뮬레이션 파형을 통상의 벅 변환기와 본 발명의 실시예들이 제안하는 벅 변환기를 비교하여 도시한 도면이다.FIG. 15 is a diagram illustrating an output voltage V OUT simulation waveform for a load current I LOAD comparing a conventional buck converter with a buck converter proposed by embodiments of the present invention.
도 15에서 ①이 제안된 구조의 출력 전압을 나타내고, ②가 통상의 구조의 출력 전압을 나타낸다. 도 15를 통해 확인할 수 있듯이 제안된 벅 변환기의 출력 전압 응답이 통상의 경우에 비해 상대적으로 보다 빠른 것을 확인할 수 있다.In Fig. 15, ① denotes an output voltage of the proposed structure, and ② denotes an output voltage of a conventional structure. As can be seen from FIG. 15, it can be seen that the output voltage response of the proposed buck converter is relatively faster than in the conventional case.
상기된 본 발명의 실시예들에 따르면, 보상 회로를 이용하여 벅 변환기의 크로스오버 주파수를 증가시킴으로써 출력 전압의 응답 특성을 향상시키고, 더불어 스위칭 주파수를 증가시킴으로써 스위칭 노이즈의 감쇠 효과를 향상시킬 수 있으며, 버퍼와 램프 발생기를 이용하여 증가된 주파수로부터 원래의 스위칭 주파수로 돌아가는 경우 출력전압 변화를 최소화할 수 있다.According to the embodiments of the present invention described above, the response characteristics of the output voltage can be improved by increasing the crossover frequency of the buck converter using a compensation circuit, and the attenuation effect of switching noise can be improved by increasing the switching frequency. Using a buffer and ramp generator, the output voltage change can be minimized when returning from the increased frequency to the original switching frequency.
이상에서 본 발명에 대하여 그 다양한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명에 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.The present invention has been described above with reference to various embodiments. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than by the foregoing description, and all differences within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the present invention.
110 : 래치 120 : 데드타임 버퍼
130 : 필터 140 : 오차 증폭기
150 : 전류 감지 회로 160 : 램프 발생기
170 : 비교기
500 : 벅 변환기
10 : 클럭 제어부
11 : 제 1 비교기 12 : 제 2 비교기
13 : OR 논리 회로 15 : 래치
17 : 클럭 발생기 19 : 카운터
20 : 필터(충/방전부)
30 : 보상부
31 : 오차 증폭기 33 : 제 1 스위치부
35 : 제 2 스위치부 37 : 제 3 스위치부
50 : 램프 발생기110: latch 120: dead time buffer
130
150: current sensing circuit 160: lamp generator
170: comparator
500: Buck Converter
10: clock control unit
11: first comparator 12: second comparator
13: OR logic circuit 15: latch
17: clock generator 19: counter
20: filter (charge / discharge part)
30: compensation unit
31
35: second switch part 37: third switch part
50: lamp generator
Claims (19)
출력 전압의 변화를 이용하여 스위칭 주파수를 증가시키는 제어 신호에 따른 클럭(clock) 신호를 입력 신호로서 인가하는 클럭 제어부; 및
변환기 이득이 0이 되는 지점을 나타내는 크로스오버(crossover) 주파수를 증가시키는 보상부;를 포함하되,
상기 클럭 제어부는 상기 스위칭 주파수를 증가시키는 제어 신호에 기초한 클럭 신호를 이용하여 상기 증가된 크로스오버 주파수에 의한 노이즈 감쇠 폭을 증가시키는 것을 특징으로 하는 벅 변환기.In the buck converter for reducing the input voltage to output
A clock control unit which applies a clock signal corresponding to a control signal for increasing a switching frequency using a change in an output voltage as an input signal; And
A compensator for increasing a crossover frequency representing a point at which the converter gain becomes zero;
And the clock control unit increases a noise attenuation width due to the increased crossover frequency by using a clock signal based on a control signal for increasing the switching frequency.
상기 클럭 제어부는,
부하 전류의 변화에 따라 출력 전압이 기준 전압 범위를 벗어나는 경우, 현재의 주파수보다 상대적으로 높은 주파수의 클럭 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 벅 변환기.The method of claim 1,
Wherein the clock control unit comprises:
If the output voltage is out of the reference voltage range in accordance with the change in the load current, the buck converter characterized in that for generating a clock signal of a frequency higher than the current frequency.
상기 클럭 제어부는,
상기 스위칭 주파수를 증가시키는 시점으로부터 소정 시간 경과 후, 증가된 스위칭 주파수를 감소시켜 원래의 스위칭 주파수에서 동작시키는 것을 특징으로 하는 벅 변환기.The method of claim 1,
Wherein the clock control unit comprises:
And after a predetermined time elapses from the time of increasing the switching frequency, the buck converter reduces the increased switching frequency to operate at the original switching frequency.
상기 보상부는,
출력 전압으로부터 정의되는 피드백 전압을 입력받아 오차(error) 전압을 생성하고, 상기 제어 신호에 기초하여 크로스오버 주파수를 증가시키는 것을 특징으로 하는 벅 변환기.The method of claim 1,
Wherein the compensation unit comprises:
And a feedback voltage defined from an output voltage to generate an error voltage, and increase a crossover frequency based on the control signal.
상기 보상부는,
크로스오버 주파수의 변화에 따른 스위칭 과정에서 출력 전압이 크게 저하되는 언더슈트(undershoot) 현상의 변화 폭을 감소시키는 것을 특징으로 하는 벅 변환기.5. The method of claim 4,
Wherein the compensation unit comprises:
A buck converter, characterized in that for reducing the variation of the undershoot phenomenon that the output voltage is greatly reduced in the switching process according to the change of the crossover frequency.
램프(RAMP) 전압을 생성하는 램프 발생기를 포함하되,
상기 램프 발생기는,
스위칭 주파수의 변화에 따른 램프(RAMP) 전압의 기울기를 조절함으로써 상기 오차 전압의 변화 폭과 출력 전압이 크게 저하되는 언더슈트 현상의 변화 폭을 감소시키는 것을 특징으로 하는 벅 변환기.5. The method of claim 4,
A ramp generator for generating a ramp (RAMP) voltage,
The lamp generator,
The buck converter characterized by reducing the variation of the undershoot phenomenon in which the variation of the error voltage and the output voltage is greatly reduced by adjusting the slope of the ramp (RAMP) voltage according to the change in the switching frequency.
출력 전압의 변화를 이용하여 스위칭 주파수를 증가시키는 제어 신호에 따른 클럭 신호를 입력 신호로서 인가하는 클럭 제어부;
상기 클럭 신호와 리셋(reset) 신호를 입력받아 PWM(pulse width modulation)을 생성하는 래치;
상기 PWM을 입력받아 2개의 파워트랜지스터를 각각 동작시키는 제 1 전압 및 제 2 전압을 생성하는 데드타임 버퍼;
상기 파워트랜지스터의 일단에 연결되어 충전과 방전을 수행하는 인덕터를 구비함으로써 출력 전압을 생성하는 필터부;
상기 제어 신호를 입력받아 변환기 이득이 0이 되는 지점을 나타내는 크로스오버(crossover) 주파수를 증가시키는 보상부; 및
상기 필터부로부터 감지된 감지 전압과 램프(RAMP) 발생기로부터 발생한 램프 전압의 합(SUM)을 입력받고, 상기 보상부의 오차 전압을 입력받아 양자를 비교함으로써, 리셋 신호를 생성하여 상기 래치에 공급하는 비교기;를 포함하되,
상기 클럭 제어부는 상기 출력 전압의 변화를 이용하여 스위칭 주파수를 증가시키는 제어 신호에 기초한 클럭 신호를 이용하여 상기 증가된 크로스오버 주파수에 의한 노이즈 감쇠 폭을 증가시키는 것을 특징으로 하는 벅 변환기.In the buck converter for reducing the input voltage to output
A clock control unit which applies a clock signal according to a control signal for increasing a switching frequency using a change in an output voltage as an input signal;
A latch receiving the clock signal and a reset signal to generate pulse width modulation (PWM);
A dead time buffer receiving the PWM and generating a first voltage and a second voltage for operating two power transistors, respectively;
A filter unit connected to one end of the power transistor to generate an output voltage by having an inductor for charging and discharging;
A compensator configured to receive the control signal and increase a crossover frequency indicating a point where a converter gain becomes zero; And
By receiving the sum (SUM) of the sense voltage sensed from the filter unit and the ramp voltage generated from the ramp (RAMP) generator, and receiving the error voltage of the compensation unit to compare the two, generating a reset signal to supply to the latch Comparators; including,
And the clock controller increases a noise attenuation width due to the increased crossover frequency by using a clock signal based on a control signal that increases a switching frequency by using the change of the output voltage.
상기 클럭 제어부는,
상기 출력 전압과 기준 전압 범위의 상한인 제 1 기준 전압을 입력받는 제 1 비교기;
상기 출력 전압과 기준 전압 범위의 하한인 제 2 기준 전압을 입력받는 제 2 비교기; 및
상기 제 1 비교기 및 제 2 비교기의 출력을 OR 연산한 결과에 기초하여 클럭 신호를 생성하는 클럭 발생기;를 포함하는 벅 변환기.The method of claim 7, wherein
Wherein the clock control unit comprises:
A first comparator receiving a first reference voltage which is an upper limit of the output voltage and a reference voltage range;
A second comparator receiving a second reference voltage which is a lower limit of the output voltage and the reference voltage range; And
And a clock generator configured to generate a clock signal based on an OR operation of the outputs of the first and second comparators.
상기 클럭 제어부는,
부하 전류의 변화에 따라 상기 출력 전압이 상기 제 1 기준 전압보다 높아진 경우, 상기 클럭 발생기를 통해 현재의 주파수보다 상대적으로 높은 주파수의 클럭 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 벅 변환기.The method of claim 8,
Wherein the clock control unit comprises:
When the output voltage is higher than the first reference voltage according to the change of the load current, the buck converter, characterized in that for generating a clock signal of a frequency higher than the current frequency through the clock generator.
상기 클럭 제어부는,
부하 전류의 변화에 따라 상기 출력 전압이 상기 제 2 기준 전압보다 낮아진 경우, 상기 클럭 발생기를 통해 현재의 주파수보다 상대적으로 높은 주파수의 클럭 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 벅 변환기.The method of claim 8,
Wherein the clock control unit comprises:
If the output voltage is lower than the second reference voltage according to the change of the load current, the buck converter, characterized in that for generating a clock signal of a frequency higher than the current frequency through the clock generator.
상기 클럭 제어부는,
상기 스위칭 주파수를 증가시키는 시점으로부터 소정 시간 경과 후, 증가된 스위칭 주파수를 감소시켜 원래의 스위칭 주파수에서 동작시키는 카운터(counter);를 더 포함하는 벅 변환기.The method of claim 7, wherein
Wherein the clock control unit comprises:
And a counter for decreasing the increased switching frequency to operate at the original switching frequency after a predetermined time elapses from the time of increasing the switching frequency.
상기 카운터는,
상기 스위칭 주파수의 증가 시점으로부터 계수를 시작하고, 미리 설정된 기준 시간이 경과한 후 클리어(clear) 신호를 출력함으로써 상기 클럭 발생기로 하여금 원래의 스위칭 주파수에서 동작하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 벅 변환기.The method of claim 11,
The above-
And starting the counting from an increase of the switching frequency and outputting a clear signal after a predetermined reference time has elapsed, thereby controlling the clock generator to operate at the original switching frequency.
상기 보상부는,
출력 전압으로부터 정의되는 피드백 전압을 입력받아 오차 전압을 생성하는 오차 증폭기(error amplifier);를 포함하고,
적어도 하나 이상의 저항 및 커패시터를 구비함으로써 상기 제어 신호에 기초하여 크로스오버 주파수를 증가시키는 것을 특징으로 하는 벅 변환기.The method of claim 7, wherein
Wherein the compensation unit comprises:
And an error amplifier receiving an feedback voltage defined from the output voltage and generating an error voltage.
And having at least one resistor and capacitor to increase the crossover frequency based on the control signal.
상기 보상부는,
일단이 상기 오차 증폭기의 출력단에 연결된 저항을 제어하는 제 1 스위치부;
상기 저항의 타단에 연결되어 크로스오버 주파수의 변화에 따른 스위칭 과정에서 출력 전압이 크게 저하되는 언더슈트 현상의 변화 폭을 감소시키는 버퍼를 구비하고, 상기 버퍼를 제어하는 제 2 스위치부; 및
상기 저항의 타단에 연결된 커패시터를 제어하는 제 3 스위치부;를 포함하되,
상기 제 1 스위치부와 상기 제 3 스위치부는 상기 클럭 제어부로부터 발생하는 제 1 제어 신호에 의해 동시에 온(on)-오프(off)되며,
상기 제 2 스위치부는 상기 클럭 제어부로부터 발생하는 제 2 제어 신호에 의해 상기 제 1 스위치부 및 상기 제 3 스위치부와는 반대로 온-오프되는 것을 특징으로 하는 벅 변환기.The method of claim 13,
Wherein the compensation unit comprises:
A first switch unit having one end controlling a resistance connected to an output terminal of the error amplifier;
A second switch unit connected to the other end of the resistor to reduce a change width of an undershoot phenomenon in which an output voltage is greatly reduced during a switching process according to a change of a crossover frequency, and a second switch unit controlling the buffer; And
And a third switch unit controlling a capacitor connected to the other end of the resistor.
The first switch unit and the third switch unit are simultaneously turned on (off) by the first control signal generated from the clock control unit,
And the second switch unit is turned on and off in opposition to the first switch unit and the third switch unit by a second control signal generated from the clock controller.
상기 보상부는,
원래의 스위칭 주파수에서 상기 제 1 스위치부와 상기 제 3 스위치부를 온(on)시키고, 동시에 상기 제 2 스위치부를 오프(off)시키는 것을 특징으로 하는 벅 변환기.15. The method of claim 14,
Wherein the compensation unit comprises:
A buck converter, characterized in that the first switch portion and the third switch portion on at the original switching frequency, and at the same time turn off the second switch portion.
상기 보상부는,
상기 증가된 스위칭 주파수에서 상기 제 1 스위치부와 상기 제 3 스위치부를 오프(off)시키고, 동시에 상기 제 2 스위치부를 온(on)시킴으로써 상기 버퍼에 의해 상기 오차 전압의 감소를 방지하는 것을 특징으로 하는 벅 변환기.15. The method of claim 14,
Wherein the compensation unit comprises:
Reducing the error voltage by the buffer by turning off the first switch portion and the third switch portion at the increased switching frequency and simultaneously turning on the second switch portion. Buck converter.
상기 램프 발생기는,
병렬적으로 연결된 2개의 커패시터; 및
상기 커패시터 중 하나의 커패시터를 제어하는 스위치;를 포함하되,
상기 스위치는 상기 클럭 제어부로터 발생하는 제어 신호에 의해 온-오프되어 스위칭 주파수의 변화에 따른 램프 전압의 기울기를 조절함으로써 상기 오차 전압의 변화 폭과 출력 전압이 크게 저하되는 언더슈트 현상의 변화 폭을 감소시키는 것을 특징으로 하는 벅 변환기.The method of claim 13,
The lamp generator,
Two capacitors connected in parallel; And
Including; switch to control one of the capacitors,
The switch is turned on and off by a control signal generated by the clock controller to adjust the slope of the ramp voltage according to the change of the switching frequency, thereby changing the variation of the undershoot phenomenon in which the variation of the error voltage and the output voltage are greatly reduced. Buck converter, characterized in that for reducing.
상기 램프 발생기는,
원래의 스위칭 주파수에서 상기 스위치를 온(on)시킴으로써 상기 2개의 커패시터의 합으로 커패시턴스를 결정하는 것을 특징으로 하는 벅 변환기.The method of claim 17,
The lamp generator,
A buck converter, characterized in that the capacitance is determined by the sum of the two capacitors by turning on the switch at its original switching frequency.
상기 램프 발생기는,
상기 증가된 스위칭 주파수에서 상기 스위치를 오프(off)시킴으로써 상기 스위치가 연결되지 않은 커패시터만으로 커패시턴스를 결정하여 램프 전압의 기울기를 증가시키는 것을 특징으로 하는 벅 변환기.The method of claim 17,
The lamp generator,
Turning off the switch at the increased switching frequency to determine capacitance with only the capacitor to which the switch is not connected, thereby increasing the slope of the ramp voltage.
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